實(shí)驗(yàn)名稱：基于氣體基壓電復(fù)合材料的線聚焦空耦超聲傳感器研制與應(yīng)用

研究方向：超聲傳感器、超聲波檢測(cè)

測(cè)試目的：

對(duì)傳感器進(jìn)行激勵(lì)接收性能測(cè)試，并采用空耦超聲Lamb波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)含有裂紋缺陷的單晶硅太陽能電池片進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，通過分析接收信號(hào)的幅值信息并利用相關(guān)系數(shù)法，完成了對(duì)裂紋缺陷的檢出和定位，實(shí)現(xiàn)了氣體基線聚焦空耦傳感器在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2041高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器

圖：空氣耦合超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)過程：

先研制氣體基線聚焦空耦傳感器，再制作氣體基線聚焦壓電復(fù)合材料，對(duì)制作出的氣體基線聚焦空耦傳感器進(jìn)行激勵(lì)性能測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中選擇中心位置加工有裂紋缺陷的單晶硅太陽能電池片作為被檢測(cè)對(duì)象，其中裂紋方向與主電極方向平行，裂紋缺陷的長度為20mm，寬度為0.1mm，深度為整個(gè)電池片的厚度。為了能夠在電池片中激勵(lì)出特定的AO模態(tài)Lamb波，由單晶硅片中Lamb波的傳播理論可知，在利用空氣耦合的方式向電池片中激勵(lì)Lamb波時(shí)，需要保證激勵(lì)傳感器和接收傳感器沿對(duì)側(cè)傾斜相同的角度。由單晶硅太陽能電池片的結(jié)構(gòu)組成可知，電池片內(nèi)單晶硅材料的有效厚度約為130-140μm。

圖2：有缺陷單晶硅太陽能電池片試樣

采用空氣耦合的方式對(duì)有缺陷電池片進(jìn)行檢測(cè)，使用所示的空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)，將傳感器布置于缺陷兩側(cè)，其中激勵(lì)傳感器為氣體基線聚焦空耦傳感器，接收傳感器為氣體基平面式空耦傳感器，兩傳感器之間相距70mm。調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使Lamb波的傳播路徑與缺陷長度方向垂直。設(shè)定傳感器的橫向掃描范圍為40mm，以兩傳感器連線距裂紋近端10mm為實(shí)驗(yàn)的初始位置，以1mm為步長平行移動(dòng)激勵(lì)和接收傳感器，采集每個(gè)位置處的接收信號(hào)，如圖2所示，其中T代表激勵(lì)傳感器，R代表接收傳感器。實(shí)驗(yàn)中的激勵(lì)信號(hào)為5周期正弦信號(hào)，中心頻率為150kHz，電壓峰峰值為3v。

圖3：缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)接收信號(hào)

分別提取Lamb波經(jīng)歷無缺陷區(qū)域和缺陷中心區(qū)域時(shí)的接收信號(hào)，并對(duì)無缺陷處的直達(dá)波幅值和透射過缺陷的直達(dá)波幅值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。可以看出，當(dāng)傳感器分別處于電池片的無缺陷位置和缺陷中心位置時(shí)，接收傳感器接收到的直達(dá)波幅值發(fā)生了明顯的變化。這是由于裂紋缺陷的存在導(dǎo)致電池片內(nèi)的Lamb波在傳播到裂紋的邊界時(shí)，聲波在電池片和空氣的接觸面上發(fā)生了巨大的反射所造成的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、通過仿真分析與結(jié)構(gòu)建模，采用壓電柱切割、三維打印、精細(xì)研磨、濺射鍍膜等工藝實(shí)現(xiàn)了氣體基線聚焦壓電復(fù)合材料的制作，最終制得的傳感器具有低聲阻抗特性，更適用于空耦檢測(cè)環(huán)境；

2、利用空耦Lamb波檢測(cè)技術(shù)，成功將氣體基線聚焦空耦傳感器應(yīng)用于單晶硅太陽能電池片裂紋缺陷的非接觸式檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池片中裂紋缺陷的定位。

安泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯：湯梓紅